JP2014509382A - 信号を復調する方法およびシステム - Google Patents

Abstract

基板（３１）に入射する変調された放射電界を検出し復調するための復調センサ（３０）が記載される。該センサは、静的な多数電流によって支援されたドリフト（Ｅ_{ｄｒｉｆｔ}）電界を基板内に発生するための手段（１，７，１５）と、少数キャリアを収集し蓄積するための少なくとも１つのゲート構造（３３）とを備え、少数キャリアは、入射する放射電界によって基板内に発生する。少なくとも１つのゲート構造は、少数キャリア（２１）の収集および蓄積のための少なくとも２つの領域（４，９，１８）と、ゲート構造の下方で横方向ドリフト電界を誘起するための少なくとも１つのゲート（５，６，８）とを備える。該システムは、静的な多数電流によって支援されたドリフト電界および少なくとも１つのゲートによって誘起された横方向ドリフト電界の影響下で、少数キャリア（２１）を少なくとも２つの領域（４，９）のうちの１つに方向付けするように構成される。該センサはさらに、当該領域において蓄積された少数キャリアを読み出すための手段を備える。

Description

本発明は、半導体材料に入射する電磁放射の検出の分野に関する。詳細には、本発明は、復調センサおよび、変調された放射電界の位相シフトがターゲットまでの距離を推定するために決定される飛行時間(time of flight)応用での使用のために、時間的に変調された電磁放射電界の検出および復調のための方法に関する。

テクノロジーにおける多くのシステムの挙動は、復調テクニックを用いて調査される。システムは変調信号によって励起され、反射した放射の特性は調査対象のシステムの特徴を決定するために用いられる。

時間的に変調された電磁放射電界の復調を必要とする測定テクニックの特定の例が、光の速度が有限であって所定の媒体中で一定であることを基礎とした飛行時間(TOF: time of flight)距離測定である。飛行時間の実験において、場面は、一般に検出器の近くに設置された高周波変調光源によって照射される。物体から反射した信号は、距離に比例した遅延を伴って検出器に戻る。受信した信号の復調の後、受信信号と送信信号との間の位相差が得られ、物体までの距離が計算できる。物体の距離は、下記のように表現できる。

Ｄ ＝ ｃ・ＴＯＦ／２

現時点で復調能力を備えた幾つかのセンサアーキテクチャが提案されている。入射光信号の復調が可能なＣＣＤベースのデバイスが、米国特許第５８５６６６７号（Spirig, "Apparatus and method for detection and demodulation of an intensity-modulated radiation field"）に記載されている。類似した手法の他の例が、英国公開第２３８９９６０号（Seitz, "Four-tap demodulation pixel"）に記載されている。デバイスに入射する光は、半導体のバルク内に正孔−電子対を生成し、センサの上部に拡散したものはゲート下の横方向電界によって宛先ポテンシャル貯蔵井戸に転送される。この手法の不具合は、センサ上部への光生成電荷キャリアの遅い拡散、センサの応答性を減少させる感度エリア上のゲートの存在、そして、制御電圧の切り替え毎に駆動する必要がある大きなゲート容量である。センサ上部への同じ遅い拡散プロセスは、米国公開第２００８０２４７０３３号（Buettgen, "device and method for the demodulation of modulated electric signals"）に記載された復調デバイスに存在しており、光生成電荷キャリアは、復調ゲート構造の異なるゲートコンタクトに交流ポテンシャルを供給することによって、特定の検出領域にドリフトするように強制される。

復調センサの実装についての他の手法が、米国特許第６９８７２６８号（Kuijk, "Detector for electromagnetic radiation assisted by majority current"）に開示されている。基板内に誘起された電界は、深く発生したキャリアを上昇させ、これらを検出ノードの方向に加速する。この手法の不具合は、基板内で交流電界を維持するために供給する必要がある交流電流である。

本発明の目的は、効率的な復調センサおよび、良好な感度で変調信号を検出するための方法を提供することである。本発明の実施形態の利点は、感度領域内で静的ドリフト電界を利用し、基板内に発生したキャリアを復調エリアに向けて加速することによって、変調された放射電界の高速復調を可能にする、復調センサおよび変調信号の検出方法を提供することである。本発明の実施形態の利点は、ＭＯＳ準拠のテクノロジーがセンサを製造するために使用可能なことである。本発明の実施形態の利点は、ＣＭＯＳ準拠のセンサが提供可能なことである。

上記目的は、本発明に係る方法およびデバイスによって達成される。本発明は、基板に入射した変調放射電界を検出し復調するための復調センサに関する。センサは、静的な多数電流によって支援されたドリフト電界を基板内に発生するための手段と、少数キャリアを収集し蓄積するための少なくとも１つのゲート構造とを備える。少数キャリアは、入射する放射電界によって基板内に発生する。少なくとも１つのゲート構造は、少数キャリアの収集および蓄積のための少なくとも２つの領域と、ゲート構造の下方で横方向ドリフト電界を誘起するための少なくとも１つのゲートとを備える。該システムは、静的な多数電流によって支援されたドリフト電界およびゲート構造によって誘起された横方向ドリフト電界の影響下で、少数キャリアの収集および蓄積のための少なくとも２つの領域のうちの１つに向けて少数キャリアを方向付けするように構成されている。センサはさらに、当該領域において蓄積された少数キャリアを読み出すための手段を備える。

読み出すための手段は、入射した変調放射電界の変調パラメータを計算するように構成してもよい。本発明に係る実施形態の利点は、静的なドリフト電界がセンサの効率を増加させるために使用できることである。収集および蓄積のための少なくとも２つの領域は、１つの検出領域、および光電子の集積場 (dump)として機能する１つの領域でもよい。一実施形態では、少なくとも２つの領域は、少なくとも２つの検出領域などである。一実施形態では、少なくとも１つのゲート構造は、少なくとも２つのゲートを備えてもよい。

少なくとも１つのゲート構造は、放射電界が入射する領域の外側に位置決めしてもよい。

少なくとも１つのゲート構造は、横方向ドリフト電界を提供するように構成してもよく、ゲート下方で横方向ドリフト電界に沿って移動する電荷をもたらす。

少なくとも１つのゲート構造または少なくとも１つのゲート構造の各々は、最大ポテンシャルとのオーミックコンタクト近くに位置決めされたゲートを備えてもよい。

本発明に係る実施形態の利点は、高速動作システムが得られることである。少なくとも１つのゲート構造は、数百メガヘルツバンド幅の速度で動作できる。

静的な多数電流によって支援されたドリフト電界を発生するための手段は、基板に少なくとも２つのオーミックコンタクトを備え、多数電流によって支援されたドリフト電界を発生してもよい。本発明に係る実施形態の利点は、静的ドリフト電界を発生する手段がセンサ内に集積化できることである。

静的な多数電流によって支援されたドリフト電界を発生するための手段、および少なくとも１つのゲート構造は、ＣＭＯＳ準拠のコンポーネントをベースとしてもよい。

静的な多数電流によって支援されたドリフト電界を発生するための手段は、センサの放射受光窓の外側にある領域に位置決めしてもよい。本発明に係る実施形態の利点は、センサを製造するために既に適用した技術を用いて、前述のコンポーネントがセンサ内に容易に集積できることである。

静的な多数電流によって支援されたドリフト電界を発生するための手段は、センサの放射受光窓の外側にある領域に位置決めしてもよい。基板の感度領域は、半導体基板の上部にいずれの構造物を含むことなく、基板は反射防止コーティングによって被覆するようにしてもよい。本発明に係る実施形態の利点は、復調センサでの放射検出の効率をより改善できることである。

多数電流によって支援されたドリフト電界の大きさは、基板内で少数キャリアの最適ドリフト速度を得るように適合できる。

発生した少数キャリアは、変調放射光源の変調周波数と同期して、ゲート構造の少なくとも２つの領域に収集できる。ゲート構造は、基板上にアレイ状に配列してもよい。ゲート構造は、基板の辺(sides)に配列してもよい。幾つかの構成において、ゲート構造は、正方形基板の上に配列してもよい。センサは、ゲート構造に格納された電荷値の読み出しの際、少数キャリアを格納するための手段を備えてもよい。キャリアは、読み出し回路に蓄積することも可能である。

ゲート構造下での横方向ドリフト電界は、制御電圧を少なくとも１つのゲート電極に印加することによって発生してもよい。ゲート電極は、少なくとも２つの領域の間に設置してもよい。ゲート電極の数は、復調センサの複雑さと、達成される最大復調コントラストとの間で良好なトレードオフ(tradeoff)を提供するように最適化できる。ゲート構造の少なくとも一部が放射シールドで覆ってもよい。本発明に係る実施形態の利点は、検出領域での電子−正孔の発生（これは復調コントラストを低下させる）が防止できることである。

復調センサは、対応する検出領域において少数キャリアを収集し蓄積するための４つのゲート構造を備えてもよく、４つのゲート構造は十字状の構成に位置決めされる。

センサは、静的な多数電流によって支援されたドリフト電界を基板内に発生するための手段を制御し、シャッターモードを誘起するために、静的な多数電流によって支援されたドリフト電界を交互に切り替えるようにプログラムされたコントローラを備えてもよい。

シャッターモードにより、センサは従来（非復調式）のイメージセンサとして使用可能になる。

本発明はまた、基板に入射した変調放射電界の変調パラメータを決定するための方法に関する。該方法は、静的な多数電流によって支援されたドリフト電界を基板内に発生することと、少なくとも１つのゲート構造の下方において、少なくとも１つのゲート構造の少なくとも１つのゲートによって誘起された横方向ドリフト電界を用いて、少なくとも２つの領域のうちの１つにおいて少数キャリアを収集し蓄積することとを含む。少数キャリアは、入射する放射電界によって基板内に発生する。少数キャリアは、静的な多数電流によって支援されたドリフト電界および少なくとも１つのゲートによって誘起された横方向ドリフト電界の影響下で、少数キャリアの収集および蓄積のための少なくとも２つの領域のうちの１つに向けて方向付けされる。該方法はさらに、該領域に蓄積された少数キャリアを読み出すことと、入射した変調放射電界の変調パラメータを計算するために、該少なくとも１つの領域の読み出しを使用することとを含む。

本発明の特定かつ好ましい態様が、添付した独立および従属の請求項に記述されている。従属請求項からの特徴は、独立請求項の特徴および他の従属請求項と適切に組み合わせてもよく、請求項に明記されたものだけに限らない。本発明および先行技術に対して達成される利点を要約する目的のために、本発明の一定の目的および利点をここで記載している。当然ながら、こうした全ての目的または利点が必ずしも本発明の特定の実施形態に従って達成できないことは理解すべきである。例えば、当業者は、ここで教示または示唆されたような他の目的または利点を必ずしも達成することなく、ここで教示されたような１つの利点または一群の利点を達成または最適化する手法で本発明が具体化または実施できることは認識するであろう。

本発明の第１実施形態に係る変調センサの平面図を示す。 図１の変調センサの断面図を示すもので、復調モードにおけるセンサの電界構成を説明している。 図１の変調センサの断面図を示すもので、ゲート構造およびその下方の電界構成を説明している。 本発明の代替の実施形態の平面図を示すもので、基板コンタクトがゲート構造の中間ゲートの後方に設けられるだけである。 本発明の代替の実施形態の平面図を示すもので、基板の各辺にゲート構造が設けられる。 図１の変調センサの断面図を示すもので、シャッターモードにおけるセンサの電界構成を説明している。

図面は、概略的かつ非限定的なものである。図面において、幾つかの要素のサイズは、説明目的のために誇張したり、縮尺どおり描写していないことがある。請求項での参照符号は、範囲を限定するものとして解釈すべきでない。異なる図面において、同じ参照符号は、同じまたは類似の要素を参照している。

本発明は、特定の実施形態に関して一定の図面を参照して説明するが、本発明はこれに限定されず、請求項によってのみ限定される。記載した図面は、概略的かつ非限定的なものである。図面において、幾つかの要素のサイズは、説明目的のために誇張したり、縮尺どおり描写していないことがある。寸法および相対寸法は、本発明の実際の具体化に対応していない。

さらに、説明および請求項での用語「第１」「第２」などは、類似の要素を区別するために使用しており、必ずしも時間的、空間的、ランキング的または他の手法による順番を記述するためではない。ここで使用した用語は、適切な状況下で交換可能であり、ここで説明した本発明の実施形態は、ここで説明したり図示したものとは別の順番で動作可能であると理解すべきである。

さらに、説明および請求項での用語「上(top)」、「の下に(under)」等は、説明目的で使用しており、必ずしも相対的な位置を記述するためのものでない。こうして用いた用語は、適切な状況下で交換可能であって、ここで説明した本発明の実施形態がここで説明または図示した以外の他の向きで動作可能であると理解すべきである。

用語「備える、含む(comprising)」は、それ以降に列挙された手段に限定されるものと解釈すべきでなく、他の要素またはステップを除外していないことに留意する。記述した特徴、整数、ステップまたは構成要素の存在を、参照したように特定するように解釈する必要があるが、１つ又はそれ以上の他の特徴、整数、ステップまたは構成要素、あるいはこれらのグループの存在または追加を除外していない。こうして表現「手段Ａ，Ｂを備えるデバイス」の範囲は、構成要素Ａ，Ｂのみから成るデバイスに限定すべきでない。本発明に関してデバイスの関連する構成要素だけがＡ，Ｂであることを意味する。

本明細書を通じて「一実施形態」または「実施形態」への参照は、実施形態との関連で記載した特定の特徴、構造または特性が本発明の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。本明細書を通じていろいろな場所での「一実施形態」または「実施形態」の語句の出現は、必ずしも全て同じ実施形態を参照していないが、そうこともある。さらに、１つ又はそれ以上の実施形態において、本発明から当業者にとって明らかなように、特定の特徴、構造または特性は、いずれか適切な方法で組み合わせてもよい。

同様に、本発明の例示の実施形態の説明において、本開示を合理化し、本発明の１つ又はそれ以上の種々の態様の理解を支援する目的で、単一の実施形態、図面、または説明において、本発明のいろいろな特徴が一緒にグループ化していることがあると理解すべきである。しかしながら、この開示の方法は、請求項の発明が、各請求項で明示的に記載したものより多くの特徴を必要とするという意図を反映していると解釈すべきでない。むしろ下記の請求項が反映しているように、発明の態様は、単一の前述した実施形態の全ての特徴より少ない場合がある。こうして詳細な説明に追従する請求項は、この詳細な説明の中に明示的に組み込まれており、各請求項は、本発明の別々の実施形態として自立している。

さらに、ここで説明した幾つかの実施形態が、他の実施形態に含まれる幾つかの他でない特徴を含むとともに、当業者によって理解されるように、異なる実施形態の特徴の組合せが本発明の範囲内にあって、異なる実施形態を構成することを意味する。例えば、下記の請求項において、請求した実施形態の何れも、何れの組合せで使用可能である。

ここで提供した説明では、多数の具体的な詳細を説明している。しかしながら、本発明の実施形態は、これらの具体的な詳細なしで実施してもよいことは理解されよう。別の例では、本説明の理解を曖昧にしないために、周知の方法、構造、および技法は詳細には示していない。

本発明の成果は、ＣＭＯＳ準拠の飛行時間（ＴＯＦ）特性を取得する可能性をもたらす。にもかかわらず本発明の成果は、この特定のトランジスタ技術に限定されず、他のトランジスタ技術、例えば、ＢＩＣＭＯＳまたはバイポーラトランジスタ技術なども適用可能である。

本発明の実施形態の成果について、ｐドープ基板を例として説明するが、本復調センサはｎドープ基板でも同様に実装できる。この場合、ここで参照したドーピング型の全てを反転すべきである（ｐ領域およびｎ領域は、それぞれｎ領域およびｐ領域になる）。さらに、ここで使用した用語「基板」は、本発明を実施するために使用できる任意の基板層を参照している。例えば、本発明の実施形態に係る復調デバイスが、ｐドープのシリコン半導体基板を備えてもよい。上部に成長し、基板層とは異なるドーピング型または異なるドーピング濃度を有するエピタキシャル層を持つ基板が適用できる。シリコン半導体材料とは別のものが、本発明の範囲および精神から逸脱することなく、本発明を実施するために使用してもよい。

本発明では、典型的なトランジスタ用語を参照する場合、第１主電極、例えば、トランジスタの場合はドレインと、第２主電極、例えば、ソースと、第１主電極と第２主電極との間の電荷の流れを制御するための制御電極、例えば、ゲートとを備える３端子デバイスに適用可能な用語を黙示的に参照している。

第１態様では、本発明は、基板に入射した変調放射電界を検出し復調するための復調センサに関する。本発明の実施形態に係る復調センサは、例えば、自動車用途に応用できるが、本発明の実施形態はこれに限定されず、飛行時間（ＴＯＦ）測定が適用できる種々の用途に応用できる。復調センサは、飛行時間（ＴＯＦ）センサでの使用に特に適している。本発明の実施形態に係る復調センサは、静的な多数電流によって支援されたドリフト電界を基板内に発生するための手段を備える。静的な多数電流によって支援されたドリフト電界を発生するための手段は、基板とのオーミックコンタクトとして機能するドープ領域を備えてもよい。復調センサはまた、少数キャリアを収集し蓄積するための少なくとも１つのゲート構造を備える。少数キャリアは、入射する放射電界によって基板内に発生する。

少なくとも１つのゲート構造は、少数キャリアの収集および蓄積のための少なくとも２つの領域を備える。少なくとも１つのゲート構造は、ゲート構造の下方において横方向ドリフト電界を誘起するように構成される。該システムは、静的な多数電流によって支援されたドリフト電界およびゲート構造によって誘起された横方向ドリフト電界の影響下で、少なくとも２つの領域のうちの１つに向けて少数キャリアを方向付けするように構成されており、当該領域において蓄積された少数キャリアを読み出すための手段を備える。収集および蓄積のための少なくとも２つの領域は、１つの検出領域、および光電子の集積場(dump)として機能する１つの領域でもよい。

読み出しコンポーネントは、従来の読み出しコンポーネントでもよい。領域を読み出すための手段は、入射した変調放射電界の変調パラメータを計算するために使用してもよい。従って、このシステムは、計算機または計算手段を備えてもよい。さらにこのシステムは、発生した少数キャリアを生じさせた電磁信号を放射／反射する物体までの距離を計算するように構成してもよい。

例として、本発明の実施形態がこれに限定されず、種々の実施形態について、復調を実施するためのＭＯＳゲート構造に基づいてさらに議論する。

図１は、本発明の一実施形態に係る復調センサ３０の第１実施形態の平面図を示す。２つのドープしたｐ領域１，７は、電圧源１５を介して接続されて、基板３１とのオーミックコンタクトとして機能するものであり、ドープしたｐ領域１，７の間に電圧Ｖ_{ｄｒｉｆｔ}差を印加することを可能にする。ドーパントレベルは、例えば、標準のＣＭＯＳで従来から用いられているものでもよい。例として、本発明の実施形態はこれに限定されず、基板ドーピングレベルは、例えば、１×１０^１５〜１×１０^１３ｃｍ^−３でもよい。ｐドーピングレベルは、１×１０^２０〜１×１０^１６ｃｍ^−３の範囲でもよく、例えば、標準のＣＭＯＳ ｐ井戸（〜１×１０^１７ｃｍ^−３）でのｐ^＋注入（〜１×１０^２０ｃｍ^−３）を用いて、ｐドープ領域を形成する。ｎドーピングレベルは、１×１０^２０〜１×１０^１６ｃｍ^−３の範囲でもよく、例えば、ＭＯＳソース／ドレインについてｎ^＋注入（〜１×１０^２０ｃｍ^−３）を用いてもよい。種々のドーピングレベルを使用してもよい。使用する半導体材料は、例えば、シリコン、ＧａＡｓ，ＳｉＧｅなど任意の適切な半導体材料でもよい。ドーピングレベルは、使用する半導体材料に依存してもよい。

動作の際、電磁放射がｐドープ基板３１に入射すると、基板に移送されるエネルギーの一部が、半導体のバルク内で電子−正孔対を生成するために用いられる。ドープしたｐ領域１，７の間に電圧を印加すると、半導体のバルク内での電界を誘起し、光生成電荷に対して電圧源１５の極性で規定された方向にドリフト速度を提供する。多数キャリアは、ｐドープ領域が最低電圧である場合にはｐドープ領域１からｐドープ領域７へ流れ、ｐドープ領域１が最低電圧である場合にはｐドープ領域７からｐドープ領域１へ流れる。多数電荷キャリア電流は、基板内の電界分布Ｅ_{ｄｒｉｆｔ}と関連付けでき、図１において２つのｐドープ領域１，７の間の直線の電界ライン３２で示す。電界ライン３２の方向は、多数電荷キャリア電流の方向と同じである。ドリフト電界Ｅ_{ｄｒｉｆｔ}が充分大きい場合、それは基板内の少数キャリアの遅い熱拡散プロセスを支配し、ドリフト電界Ｅ_{ｄｒｉｆｔ}の反対方向に少数キャリアの正味の運動を生成する。

ｐドープ領域７のポテンシャルがｐドープ領域１のポテンシャルより高い場合、少数キャリアは、ｐドープ領域７に向けてドリフトし、復調ゾーン３に遭遇する。この特定の構成では、復調センサ３０は、さらに復調モードで動作するものとして参照している。ｐドープ領域７のポテンシャルがｐドープ領域１のポテンシャルより低い場合、少数キャリアは、ｐドープ領域１に向けてドリフトし、復調センサ３０は、さらにシャッターモードで動作するものとして参照している。

図２（ａ）は、本発明に係る復調センサ３０の第１実施形態の断面図を示すもので、復調モードにおけるデバイスの電界構成を説明している。ｐドープ領域１，７間の電位差Ｖ_{ｄｒｉｆｔ}は、基板３１内のポテンシャル分布φを生成し、これは、基板３１内の深さ１９で図２（ｂ）に示す。少数キャリア２１は、入射する放射２８によって基板３１内で発生し、ｐドープ領域７に向けて迅速にドリフトし、復調ゾーン３の空間電荷領域電界（空乏領域）１８に捕獲される。

本発明によれば、復調ゾーン３は、発生した少数キャリア２１を収集し蓄積するための少なくとも１つのゲート構造を備える。図１において、例えば、復調ゾーン３は、半導体基板の感度領域２とｐドープ領域７との間に設けられたゲート構造アレイ３３からなる。この例は、両側に検出領域を有する複数の導体−絶縁体−半導体（ＭＯＳ）構造を備える。本発明の利点は、復調ゾーン３が基板３１の小さな部分のみを覆い、大きな感度エリア２が、応答性を減少させるゲート構造３３なしで確保されることである。本発明の特定の実施形態において、例えば、高反射のシリコン基板の場合、復調センサ３０のデバイス応答性は、反射防止コーティングＡＲを感度エリア２の上に配置することによって、さらに増加できる。

高速動作の復調センサ３０を得るために、少数キャリア２１が検出および復調エリア３に向けて加速される速度は、可能な限り高くすべきである。この速度は、ドリフト電界Ｅ_{ｄｒｉｆｔ}の大きさ、そして電圧源１５の印加電圧Ｖ_{ｄｒｉｆｔ}に依存する。一般に、極めて高い電圧に起因して少数電荷キャリア移動度の飽和に達成するまでは、ドリフト電界Ｅ_{ｄｒｉｆｔ}が高いほど、少数キャリア２１のドリフト速度ｖ_{ｄｒｉｆｔ}が大きくなる。最適なドリフト電界を決定するには、半導体研究の分野で周知のモデルが適用できる。

復調センサ３０の増強した感度は、感度領域２のサイズを調整することによってさらに達成できる。感度領域２が大きいほど、より多くの電子−正孔対が基板３１内で発生できる。さらに、感度領域２が大きいほど、ｐドープ領域１，７の間の距離が大きくなり、ドリフト電界Ｅ_{ｄｒｉｆｔ}は基板３１内でより深く浸透する。これは、長波長の電磁放射（例えば、赤外光）が基板３１に入射する場合、特に興味深いことであり、深く発生した少数キャリア２１は、復調ゾーン３に向かう高速で効率的なドリフト輸送から利益を受けることができる。

図３（ａ）は、本発明の好ましい実施形態に係るゲート構造３３の断面図である。ゲート構造３３は、半導体基板３１を覆う透明絶縁層２５、好ましくは酸化物を備える。絶縁体２５の上には３つのゲート電極表面５，６，８が形成され、これらは個々の電圧源１０，１１，１２とそれぞれ接続される。さらにゲート構造３３は、少数キャリアが収集される２つの高ドープｎ＋検出ゾーン４，９を備える。ゲート５，６，８の間に電位差を印加することによって、検出ゾーン４，９の間で半導体−絶縁体の界面に不均一なポテンシャル分布φが誘起される。

図３（ｂ）は、ゲート５のポテンシャルがゲート６のポテンシャルより高く、ゲート６のポテンシャルがゲート８のポテンシャルより高い場合について、基板３１内の深さ２３での静電ポテンシャル２４を示す。図３（ｂ）から判るように、ゲート構造３３の下にある空亡領域１８に進入した少数キャリア２１の大部分は、ゲート構造８から遠ざかってへゲート構造５に向けて速度ｖ’_{ｄｒｉｆｔ}でドリフトし、検出領域４のｎ^＋−井戸に捕獲される。しかしながら、光電子の少数は、誤りの検出領域９へ速度ｖ”_{ｄｒｉｆｔ}で転送される。

ゲートの数を増加させることにより、より複雑な経路設定およびセンサ駆動回路の負担とともに、速度ｖ”_{ｄｒｉｆｔ}を持つキャリアの数は減少する。代替としてまたはこれに加えて、速度ｖ”_{ｄｒｉｆｔ}を持つキャリアの数は、シールド材料を用いてセンサの個々の部分を遮蔽することによっても減少する。例えば、図１に係る構造において、これは、シールド材料からなるバンドをセンサカバー領域４，９を全て横断して設けることによって実施できる。シールド材料からなるバンドは、好ましくは領域４，９より僅かに幅広である。領域４で収集される光電子の数と、空亡領域１８に進入する光電子の総数との比は、検出信号の信号対ノイズ比および復調センサによって測定される距離精度に対して直接的な影響を有する復調効率を定義する。

逆の場合、即ち、ゲート５のポテンシャルがゲート６のポテンシャルより低く、ゲート６のポテンシャルがゲート８のポテンシャルより低い場合、入射した放射によって発生した光電子２１は、検出領域９において収集される。検出ゾーン４，９に収集された電荷は、公知の電子回路、例えば、検出ゾーンで受け取った総電荷を示す出力電圧を発生する電荷積分回路、または検出領域４，９を通過する光電流に比例した出力電圧を発生するトランスインピーダンス増幅器、または他の例を用いて読み出し可能である。

入射した放射によって発生した少数キャリア２１を収集するために、ゲート構造３３は、絶縁層２５上にある３つのゲート電極以外のものを備えてもよい。しかしながら、好ましくは、ゲート電極の数は、ポテンシャル関数２４の滑らかさと復調センサ３０の複雑さとの間で良好なトレードオフを提供するように選択すべきである。

本発明に係る復調センサ３０の代替の実施形態において、ゲート構造３３は、２つの検出ゾーン４，９の間に設置された単一の電極ゲートのみを備えてもよく、２つ又はそれ以上のコンタクトがゲート上に設けられ、半導体−絶縁体界面に不均一なポテンシャル分布φを発生する。復調ゲート構造（４，５，６，８，９）は、従来のＭＯＳトランジスタを用いても形成できる。こうした実施形態においてｎ＋領域をゲート間に形成した場合、これは再結合をもたらし、センサの応答性の減少につながる。

本発明に係る変調センサ３０の利点は、検出領域４，９またはその近傍で電子−正孔対が発生するのを防止するために復調ゾーン３は放射シールド１７で覆うことができる。放射シールド１７は、任意の適切な材料で製作でき、例えば、金属層または不透明層でもよい。シールドの使用は、電子−正孔が発生する領域と復調領域３との間に明確な差異を提供する。従って、入射した放射に起因して基板３１内に発生した多数キャリアが、ドリフト電界Ｅ_{ｄｒｉｆｔ}によって検出領域４，９から遠くに運搬され、シールド層１７によって検出領域４，９またはその近傍で発生するのが防止される。シールドは、復調領域全体をシールドを設けてもよく、または領域４，９はシールドを設け、例えば、領域６および領域５，８の一部がシールド無しとなるように設けてもよく、僅かに増加した感度を生じさせる。

図１の例において、復調センサ３０はゲート構造３３のアレイを備え、検出ゾーン４，９は電極ゲート（５，６，８）の間に交互に配列される。復調プロセスの一例において、変調放射源の変調周波数ｆ＝１／Ｔと同じ周波数を持つ２つの振動電圧信号Ｖ_ｍｉｘ１およびＶ_ｍｉｘ２（＝−Ｖ_ｍｉｘ１）がゲート５，８に印加でき、一方、ゲート６は固定電圧Ｖ_ｂｉａｓ＝０に維持される。この電圧構成を用いて、ゲート５のポテンシャルは、期間Ｔの半分でゲート８のポテンシャルより高くなり、発生した少数電荷キャリア２１は検出領域４において収集されることになる。期間Ｔの残り半分では、ゲート５のポテンシャルはゲート８のポテンシャルより低くなり、発生した少数電荷キャリア２１は検出領域９において収集されることになる。全ての検出領域４が第１読み出し回路に配列され、検出領域９が第２読み出し回路に配列された場合、ある露光時間後の結果は、検出ゾーン４，９に蓄積された電荷を示す２つの出力電圧である。出力電圧の差および和から、変調放射光源と復調センサ３０に入射した放射２８との間の位相差ΔＰが計算できる。上記説明は、飛行時間測定用の可能性のある後処理の一例を説明するためのものであり、本発明の例はこれに限定されない。検知された変調放射電界の復調のためのテクニックは、当業者に知られている。

飛行時間の実験において、位相差ΔＰは、物体までの距離を決定するために使用できる。変調放射電界がターゲットに投射され、ターゲットによって反射され、復調センサ３０によって検出される。伝送時に信号が受ける、計算した位相遅延ΔＰは、数式：Ｄ＝（ΔＰ・ｃ・Ｔ）／７２０を介してターゲットまでの距離と直接関係している。ここで、Ｄ＝距離、ｃ＝光の速度、Ｔ＝変調期間、ΔＰ＝発光した放射電界と検出した放射電界との間の位相差（度）である。

図４は、本発明に係る復調センサ３０の代替の実施形態を示すもので、オーミックコンタクト７は、ゲート構造３３の中間ゲート６の後方に製作された単一のオーミックコンタクト１６によって置換されている。こうした構成において、中間ゲートに引き寄せられる光電子の数は増加し、復調コントラストを改善する。これは、中間ゲートの下に到着するキャリアの全てが正しい速度ｖ’_{ｄｒｉｆｔ}を取得しているからである。中間ゲートをより大型化することによっても、中間ゲートに引き寄せられる光電子の数を増加できる。

さらに他の代替の実施形態では、復調センサのための十字状構成が使用でき、正方形基板３１の各辺にゲート構造３３が設けられる。これは図５に示している。ｐ領域１は、ここでは基板３１の中央に製作され、印加電圧の極性に依存して、電界ライン３２がｐ領域１６からｐ領域１に向けて、あるいはその逆向きで走行している。基板３１に入射した電磁放射は電子−正孔対を生成し、そこから少数電荷キャリア２１は、電子−正孔対が生成される象限(quadrant)に依存して、４つのゲート構造３３のうちの１つに向けてドリフト移動する。

この構成において、静電界に起因して、異なる位相シフトを持つ制御基準信号を用いて、ゲート復調構造の各々を駆動することが可能である。この特徴は、距離計算に必要な情報の全てが単一画素を用いて１つの積分期間に収集できるため、ＴＯＦにおいて極めて有益である。これは、運動アーチファクト(artifact)を低減することになり、例えば、自動車用途で特に有用である。後者は次のようにして判る。

動作の際、受光した光は強度および位相が変調され、位相変調は場面の３Ｄ情報によって生ずる。信号の振幅および位相は、復調センサ内に入射する変調光を同期復調することによって取り出すことができる。受光した変調信号の復調は、元の変調信号との相関（相互相関としても知られている）、および異なる測定の相関関数の評価によって実行できる。図５に示した実施形態を用いて、異なる測定値および異なる相関値が画素構成において同時に収集され、その結果、運動アーチファクトが低減できる。図５に示す画素構成の幾つかの実施形態では、ドリフト電界Ｅ_{ｄｒｉｆｔ}が存在しない領域において、光シールド２６が電子−正孔対の生成を防止するために設けてもよい。読み出し回路は、光シールド２６の下方に配置できる。本発明に係る復調センサ３３の利点は、基板３１内のドリフト電界Ｅ_{ｄｒｉｆｔ}が静的電流によって維持されるため、センサ３３の動的電流消費が低くなることである。よって、センサ３３の動的電力消費は、復調ゾーン３の電力消費によって決定されるだけである。ドリフト領域２での静的電力消費は、基板材料のドーピングを減少させることによってさらに低下できる。

図６（ａ）は、本発明に係る復調センサ３０の断面図であり、復調センサ３０は、シャッターモードで動作している。図２の例とは反対に、ｐドープ領域７のポテンシャルは、ｐドープ領域１のポテンシャルより低く、入射した放射２８によって発生した少数キャリア２１はｐドープ領域１に向かってドリフトする。図６（ｂ）は、基板３１内の小さな深さ１９におけるポテンシャル分布２２を示す。本復調センサ３０の利点は、シャッターモードでのデバイスの応答性がほぼゼロに減少できることである。

本発明の一実施形態において、ｎドープ領域１３を基板内に設けてもよく、少数キャリア２１は、この領域１３の空乏ゾーンに捕獲される大きなチャンスを有する。電荷量を読み出す手段が領域１３に実装された場合（例えば、３Ｔアクティブ画素回路）、シャッターモードのセンサは、従来のもの（非復調イメージセンサ）として使用できる。

本発明に係る実施形態の利点は、少なくとも１つのゲート構造における少なくとも１つのゲートが、典型的には高いまたは最高のポテンシャルを持つオーミックコンタクトの近傍に配置でき、ゲート構造の下方にポテンシャル勾配を誘起して、基板のバルク内に光電子の軌跡をドリフトによって変化させることである。こうして光電子は、１つ又は他の検出エリア（収集エリアとも称される）に直接に案内される。こうして電荷は、ゲート構造の下方にある体積全体に到達する。

本発明は、自動車用途のための第１態様に記載したような復調センサの使用にも関連する。

第２態様において、本発明は、基板に入射した変調放射電界の変調パラメータを決定するための方法に関する。該方法は、特に自動車用途で使用できる。それは、飛行時間測定が適用できる種々の応用で使用できる。該方法は、静的な多数電流によって支援されたドリフト電界を基板内に発生することを含む。該方法はまた、少なくとも１つのゲート構造の下方において、少なくとも１つのゲート構造の少なくとも１つのゲートによって誘起された横方向ドリフト電界を用いて、少なくとも２つの領域のうちの１つにおいて少数キャリアを収集し蓄積することを含み、少数キャリアは、入射する放射電界によって基板内に発生し、少数キャリアは、静的な多数電流によって支援されたドリフト電界およびゲート構造によって誘起された横方向ドリフト電界の影響下で、少なくとも１つの領域に向けて方向付けされる。該方法はまた、該領域に蓄積された少数キャリアを読み出すことと、入射した変調放射電界の変調パラメータを計算するために、少なくとも１つの領域の読み出しを使用することとを含む。追加の任意のステップが、第１態様で説明したようなデバイスの１つ又はそれ以上の要素またはその一部の機能性を表現してもよい。

Claims (15)

1. 基板に入射した変調放射電界を検出し復調するための復調センサであって、
   ・静的な多数電流によって支援されたドリフト電界を基板内に発生するための手段と、
   ・少数キャリアを収集し蓄積するための少なくとも１つのゲート構造と、を備え、
   少数キャリアは、入射する放射電界によって基板内に発生し、
   少なくとも１つのゲート構造は、少数キャリアの収集および蓄積のための少なくとも２つの領域と、ゲート構造の下方で横方向ドリフト電界を誘起するための少なくとも１つのゲートとを備え、
   該システムは、静的な多数電流によって支援されたドリフト電界およびゲート構造によって誘起された横方向ドリフト電界の影響下で、少数キャリアの収集および蓄積のための少なくとも２つの領域のうちの１つに向けて少数キャリアを方向付けするように構成されており、
   ・当該領域において蓄積された少数キャリアを読み出すための手段と、を備える復調センサ。
2. 静的な多数電流によって支援されたドリフト電界を発生するための手段は、基板に少なくとも２つのオーミックコンタクトを備え、多数電流によって支援されたドリフト電界を発生するようにした請求項１記載の復調センサ。
3. 静的な多数電流によって支援されたドリフト電界を発生するための手段、および少なくとも１つのゲート構造は、ＣＭＯＳ準拠のコンポーネントをベースとしている請求項１または２記載の復調センサ。
4. 静的な多数電流によって支援されたドリフト電界を発生するための手段は、センサの放射受光窓の外側にある領域に位置決めされる請求項１〜３のいずれかに記載の復調センサ。
5. 静的な多数電流によって支援されたドリフト電界を発生するための手段は、センサの放射受光窓の外側にある領域において基板上に位置決めされる請求項１〜４のいずれかに記載の復調センサ。
6. 基板の感度領域は、反射防止コーティングによって被覆されている請求項１〜５のいずれかに記載の復調センサ。
7. 多数電流によって支援されたドリフト電界の大きさは、基板内で少数キャリアの最適ドリフト速度を得るように適合している請求項１〜６のいずれかに記載の復調センサ。
8. 各ゲート構造は、少なくとも２つの領域の間に位置決めされた少なくとも１つのゲートを備える請求項１〜７のいずれかに記載の復調センサ。
9. 少数キャリアを収集し蓄積するための少なくとも１つのゲート構造は、復調構造であって、センサの放射受光窓の外側にある領域に位置決めされる請求項１〜８のいずれかに記載の復調センサ。
10. ゲート構造下での横方向ドリフト電界は、制御電圧を少なくとも１つのゲート電極に印加することによって発生する請求項１〜９のいずれかに記載の復調センサ。
11. ゲート構造の少なくとも一部は、放射シールドで覆われている請求項１〜１０のいずれかに記載の復調センサ。
12. 復調センサは、対応する検出領域において少数キャリアを収集し蓄積するための４つのゲート構造を備え、４つのゲート構造は十字状の構成に位置決めされる請求項１〜１１のいずれかに記載の復調センサ。
13. センサは、静的な多数電流によって支援されたドリフト電界を基板内に発生するための手段を制御し、シャッターモードを誘起するために、静的な多数電流によって支援されたドリフト電界を交互に切り替えるようにプログラムされたコントローラを備える請求項１〜１２のいずれかに記載の復調センサ。
14. シャッターモードは、従来（非復調式）のイメージセンサとして使用可能である請求項１〜１３のいずれかに記載の復調センサ。
15. 基板に入射した変調放射電界の変調パラメータを決定するための方法であって、
    ・静的な多数電流によって支援されたドリフト電界を基板内に発生することと、
    ・少なくとも１つのゲート構造の下方において、少なくとも１つのゲート構造の少なくとも１つのゲートによって誘起された横方向ドリフト電界を用いて、少なくとも２つの領域のうちの１つにおいて少数キャリアを収集し蓄積することと、を含み、
    少数キャリアは、入射する放射電界によって基板内に発生し、
    少数キャリアは、静的な多数電流によって支援されたドリフト電界および少なくとも１つのゲートによって誘起された横方向ドリフト電界の影響下で、該少なくとも１つの領域に向けて方向付けされ、
    ・該少なくとも１つの領域に蓄積された少数キャリアを読み出すことと、
    ・入射した変調放射電界の変調パラメータを計算するために、該少なくとも１つの領域の読み出しを使用することと、を含む方法。

Images